CN111047105A - 一种优化配置风力发电装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于配置风力发电装置的技术领域。本发明公开了一种优化配置风力发电装置的方法，包括以下步骤：计算风力发电装置的资源消耗能耗数值；计算风力发电装置的环境影响数值；计算风力发电装置的机组性能度值；计算风力发电装置的并网特性值；计算风力发电装置的社会效益值；计算风力发电装置的经济效益值。采用本发明的方法，能更加有效的利用风力发电与现有电网的有效结合并能提高风能的利用效率。
Description
技术领域
本发明属于配置风力发电装置的技术领域。
背景技术
电能是现代工农业生产、科学技术研究及人民生活等各个领域中广泛应用的主要能源，是保障国家和城市运行和发展的生命线。电能作为来源广泛、转换方式多样的清洁能源，其终端能源利用效率在各种能源形式中最高。在绿色发展，能源革命，全球能源互联网的大背景下，结合绿色循环经济的内涵，电能绿色指数是综合反映电能生产、运输、配送乃至消费过程中提高效率，节约资源、减少废物排放，促使生态健康协调发展的变动趋势和程度的相对数。
在清洁能源发电系统中，我国风能资源总储量占世界第一位，风力发电绿色评价指数对整个供电系统的绿色发展有重要影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种优化配置风力发电装置的方法，包括以下步骤：计算风力发电装置的资源消耗能耗数值；计算风力发电装置的环境影响数值；计算风力发电装置的机组性能度值；计算风力发电装置的并网特性值；计算风力发电装置的社会效益值；计算风力发电装置的经济效益值。
采用本发明的方法，能更加有效的利用风力发电与现有电网的有效结合并能提高风能的利用效率。
附图说明
图1为优化配置风力发电装置方法流程图。
具体实施方式
实施例1
1.计算风力发电装置的资源消耗能耗数值
1)计算风力发电装置生产与运输阶段的资源消耗能耗数值
风机生产与运输阶段的能耗计算模型为：
Ew＝Ee+Et
其中，风机材料的总内含能量Ee指施工过程中所用的全部建设材料的内含能量(GJ)，包括从原材料获取到制成成品的全过程能量消耗；风机材料运输总能耗Et指风机材料从生产地到施工现场的运输过程能耗(GJ)。
总内含能量Ee计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qei,ei分别为建筑物施工所用第i种建筑材料的总重量(t)、内含能量强度值(GJ/t)。
运输总能耗Et计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qti,eti,Li分别为生产风机所用第i种建筑材料的总重量(t)、运输能耗强度值(GJ/t·km)及生产地距施工现场的距离(km)。
生产阶段排放Ge计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qei，gi分别为建筑物施工所用第i种建筑材料的总重量(t)、碳排放系数(t/t)。
运输阶段排放Gt计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qti,gti,Li分别为生产风机所用第i种建筑材料的总重量(t)、碳排放系数(t/t)及生产地距施工现场的距离(km)。
2)计算风力发电装置建设施工阶段的资源消耗能耗数值
建设施工能耗的计算模型为
Ec＝Ee+Et+Ep
式中，建设材料的总内含能量Ee指施工过程中所用的全部建设材料的内含能量(GJ)，包括从原材料获取到制成成品的全过程能量消耗；建设材料运输总能耗Et指建筑物施工所用建筑材料从生产地到施工现场的运输过程能耗(GJ)；建筑物施工过程总能耗Ep指建筑物施工现场的各种施工过程的能耗(GJ)。
建设材料Ee计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qei,ei,ui分别为建筑物施工所用第i种建筑材料的总重量(t)、内含能量强度值(GJ/t)、损耗系数。
建设材料运输能耗Et计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qti,eti,Li分别为生产风机所用第i种建筑材料的总重量(t)、运输能耗强度值(GJ/t·km)及生产地距施工现场的距离(km)。
施工过程能耗Ep计算模型
式中，n同上；Qpj,i,epj,i分别为建筑物第j个施工过程中处理第i种建筑材料的总重量(t)和需要的能量强度(GJ/t)，ef为平整场地及基坑开挖能耗(GJ)。
这个施工过程能耗是一个一般性的计算方法。实际在本案例中，由于施工过程中涉及到的各种机械的使用时长、功率、耗油量等参数无法具体获得，那么，根据能量守恒原则，计算各种机械的总耗油量和耗电量可以同样获得施工过程的总能耗情况，计算模型为
Ec＝Ex
式中，E为施工阶段耗电量(kWh)和耗油量(kWh)，x为转换系数(GJ/kWh)。建设施工CO2排放的计算模型为
Gc＝Ge+Gt+Gp
其中，建设材料的总排放Ge指施工过程中所用的全部建设材料的生产排放(t)，包括从原材料获取到制成成品的全过程排放；建设材料运输总排放Gt指建筑物施工所用建筑材料从生产地到施工现场的运输过程排放(t)；建筑物施工过程总能耗Gp指建筑物施工现场的各种施工过程的排放(t)。
建设材料的总排放Ge计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qei，gi分别为建筑物施工所用第i种建筑材料的总重量(t)、CO2排放强度(GJ/t)。
建设材料运输排放Gt计算模型为
式中，n为生产风机所用材料的种类总数；Qti,gti,Li分别为生产风机所用第i种建筑材料的总重量(t)、运输排放强度值(GJ/t)及生产地距施工现场的距离(km)。
施工过程排放Gp计算模型
Gp＝mEp
式中，Ep为施工过程能耗(GJ)，m为转换系数(t/GJ)，分别计算耗电部分的该地区电网发电排放强度和耗油部分的所用油料排放强度。
3)计算风力发电装置运营阶段的资源消耗能耗数值
运营阶段能耗计算模型为
Ec＝Es+Ed+Ecc
式中，Es为所需替换零部件的生产与运输能耗(GJ)，Ed为所使用耗材(润滑剂等)的生产与运输能耗(GJ)，Ecc为检修过程能耗(这里指检修车辆耗油量，GJ)。
替换零部件耗能Es计算模型为
Es＝sEe
式中，Ee为风机所有零部件生产与运输阶段能耗，s为生命周期内所需替换零部件占全部风机零部件比例。
耗材能耗Ed计算模型为
式中，Qi为相关耗材用量(t)，ei为耗材能耗强度(GJ/t)；
检修能耗Ecc计算模型为
Ecc＝eB
式中，e为检修所耗油量(t)，B为消耗汽油或柴油的热值(GJ/t)。
运营阶段排放计算模型为
Gc＝Gs+Gd+Gcc
式中，Gs为所需替换零部件的生产与运输相关排放(t)，Gd为所使用耗材(如润滑剂)的生产与运输相关排放(t)，Gcc为检修过程排放(这里指检修车辆耗油的排放，t)。
替换零部件排放Gs为
Gs＝sGe
式中，Ge为风机所有零部件生产与运输阶段排放,s为生命周期内所需替换零部件占全部风机零部件比例。
耗材排放Gd计算模型为
式中，Qi为相关耗材用量(t)，gi为耗材排放强度(t/t)；
检修排放Gcc计算模型为
Gcc＝eC
式中，e为检修耗油量(t)，C为燃油排放强度(t/t)。
4)计算风力发电装置废弃处置阶段的资源消耗能耗数值
该阶段能耗计算模型为
Ec＝Ep+Et
式中，Ep为拆卸阶段能耗(GJ)，Et为回收和填埋阶段能耗(GJ)。
拆卸阶段能耗计算模型为
式中，n同上；Qpj,i,epj,i分别为建筑物第j个施工过程中处理第i种建筑材料的总重量(t)和需要的能量强度(GJ/t)，与建设施工阶段相比，去掉了场地开挖与施工相关的能耗。
回收与填埋阶段计算模型为
式中，n同上；Qti,eti,Li分别为回收或填埋所用第i种建筑材料的总重量(t)、运输能耗强度值(GJ/t·km)及施工现场距回收设施或填埋场地的距离(km)。
相应的拆卸排放计算模型为
Gp＝mEp
式中，m为能耗与排放量的转换系数(t/GJ)，Ep为拆卸阶段能耗(GJ)。
以及回收与填埋阶段计算模型
式中，n同上；Qti,gti,Li分别为回收或填埋所用第i种建筑材料的总重量
(t)、运输排放强度值(GJ/t km)及施工现场距回收设施或填埋场地的距离(km)。
2.计算风力发电装置的环境影响数值
1)计算风力发电装置的土地增值效益值
风电建设项目一般选址在风能资源丰富的区域，这些区域往往在边远山区或是海岸线附近，是土地利用率较低的地区。风电项目的建设，将促进风电项目维护及其他相关产业在项目附近聚集。人口密度的增加，从而促进并带动当地的设施建设，导致区域土地增值，带来社会经济效益。
2)计算风力发电装置的运行维护噪声值
风电机组的工作原理是：通过涡轮叶片转动来带动齿轮进行机械性转动，从而产生电力。但是齿轮在彼此咬合的过程中，会产生巨大的震动，从而产生不可避免的噪音污染。
我国曾于2008年颁布《风力发电机组噪声测量方法》(GB/T 22516-2008)，等同采用国际标准IEC 61400-11：2002。国际电工委员会于2006年对风电机组功率特性的试验标准进行了修订，并将标准号更改为IEC 61400-11，ed.2.1：2006。2012年11月，IEC又颁布了IEC 61400-11，ed.3.0：2012。
通过本标准的修订和发布，规定了风电噪声科学统一的测量方法，有利于对风电噪声做出客观合理的评价。可以为风电制造商改进产品设计提供依据，从源头上降低风电噪声污染，支撑风电产品设计研发、认证和出口；其次为风电运营商设备选型提供依据，风电运营商可以选择噪声污染小的机型，在开工建设之前就对整个风电场进行合理布局，充分考虑噪声对附近居民生活健康的实际影响，与居民区保持安全距离，减少投诉事件，避免造成经济损失；如果噪声污染事件已经发生，则可为环境相关部门对风电噪声影响的综合评估提供技术手段，为相关政府部门执法和居民维权提供可靠的依据。
3)计算风力发电装置的消减风害效益值
过快的风速会对人们的生产生活造成很大的损失。过快的风速会对农业生产造成巨大的危害，大风使叶片机械擦伤、作物倒伏、树木断折、落花落果而影响产量。地方性风，如海上吹来的含盐分较多的海潮风、高温低湿的焚风和干热风，都严重影响果树开花、坐果和谷类作物的灌浆。建立风电项目能有效遏制这一现象，并能减少温室效应和沙尘暴灾害。
3.计算风力发电装置的机组性能度值
1)计算风力发电装置的机组一次调频能力值
风电功率波动影响电力系统频率稳定，随着风电容量增加，除了保证在故障时风电机组及电网安全，也有必要使风电机组储备有功备用容量，协助电网频率调整。
各风速段下的调频控制策略
变速风电机组根据有功参考值Pref，通过电力电子变流器快速增发有功，在利用有功备用的同时释放转子动能，有助于扰动后电网频率恢复。
当电网频率变化Δf时，风电机组可以通过下垂控制增发有功ΔP，得到有功参考值Pref为：
式中：RW为风电机组下垂系数，Pdel为减载运行时的有功出力，kdel表示减载水平，Popt为相应风速下的最优捕获风功率。
减载运行风电机组参与系统调频时，其对电网频率稳定性的贡献取决于机组有功备用容量。该备用容量与风机捕获风能大小、可用风电容量、减载水平等有关，当系统遭受不同程度的频率冲击时，风电对于电网频率的提升作用不同。
设系统中出现大小为ΔPL的有功缺额，当频率恢复稳态时有
ΔPm+KwΔPwf-ΔPL-DΔf＝0
式中：ΔPm为同步发电机组的增发有功出力,Kw为容量折算系数,ΔPwf为风电机组增发有功出力,ΔPL有功负荷变化量,D表征负荷频率恢复特性。
式中，火电机组的有功出力增量ΔPm为：
Rm为火电机组下垂系数。
风电机组的增发有功ΔPwf与其最大有功备用余量有关，有如下关系:
当ΔPwf处于风电机组有功备用余量可调用的范围内，这时风电机组能够有效地参与调频；否则释放全部有功备用后，不再继续参与频率调整，无法阻止频率继续跌落。
定义风电机组能够有效应对的最大稳态频率偏移量为|Δf|max,则：
|Δf|max＝Rw(ΔPwf)max＝RwkdelPopt(vw)式中：风速vw下的最大捕获风功率标幺值Popt(vw)可进一步表达为:
式中：ρ为空气密度；A为风轮叶片扫过的面积；PN为风电机组额定功率；Cpmax为最大风能捕获系数。
综合上述可得
2)计算风力发电装置的机组AGC能力值
自动发电控制(AGC,Automatic Generation Control)，是并网发电厂提供的有偿辅助服务之一，发电机组在规定的出力调整范围内，跟踪电力调度交易机构下发的指令，按照一定调节速率实时调整发电出力，以满足电力系统频率和联络线功率控制要求的服务。或者说,自动发电控制(AGC)对电网部分机组出力进行二次调整,以满足控制目标要求；其基本功能为：负荷频率控制(LFC)，经济调度控制(EDC)，备用容量监视(RM)，AGC性能监视(AGC PM)，联络线偏差控制(TBC)等；以达到其基本的目标：保证发电出力与负荷平衡，保证系统频率为额定值，使净区域联络线潮流与计划相等，最小区域化运行成本。
当前风电场出力1h前预测的误差可达10％～15％，风电的随机性和不确定性增大了系统净负荷波动幅值和速率，在实时调度时间尺度上主要由自动发电控制(automaticgeneration control，AGC)机组承担调节任务。目前，电网中AGC机组出力基准点由调度中心在调度计划制定过程中通过超短期负荷及风电预测信息确定，各机组基点及参与因子为计划总出力优化分配的结果，每15min做一次滚动优化，在该时间段内保持不变。若风功率在15min内出力偏离预期较大，且单向持续爬坡，AGC机组计划总出力与净负荷将产生较大偏差，而原计划定值若不及时做出相应调整，将增加AGC机组的快速调节压力及运行成本。
3)计算风力发电装置的机组AVC能力值
AVC是自动电压控制(Automatic Voltage Control)的简称，它是利用计算机和通信技术，对电网中的无功资源以及调压设备进行自动控制，以达到保证电网安全、优质和经济运行的目的
AVC装置的功能是：(AVC)装置作为电网电压无功优化系统中分级控制的电压控制实现手段,是针对负荷波动和偶然事故造成的电压变化迅速动作来控制调节发电机励磁实现电厂侧的电压控制,保证向电网输送合格的电压和满足系统需求的无功。同时接受来自省调度通讯中心的上级电压控制命令和电压整定值,通过电压无功优化算法计算并输出以控制发电机励磁调节器的整定点来实现远方调度控制。
4.计算风力发电装置的并网特性值
我国风电站并网标准有《风力电场并网验收规范》和《风电场并网性能评价方法》。
根据相关标准,风电并网的基本要求包括:有功功率控制及无功功率调控满电网要求；具有一定的低电压及高电压穿越能力；电能质量满足电网要求；设备运行具有一定的可靠性；功率预测达到一定精度等方面。
具体指标定义如下
1)计算风力发电装置的有功功率控制指标值
①计算风力发电装置的1min有功功率变化值
风电场中的风力发电机组正常肩动、正常停机以及风力发电增长过程中1min有功功率变化的最大限值。
②计算风力发电装置的10min有功功率变化值
风电场中的风力发电机组正常启动、正常停机以及风力发电增长过程中10min有功功率变化的最大限值。
2)计算风力发电装置的无功功率调控指标值
①计算风力发电装置的风电机组功率因数调节能力值
风电机组应满足功率因数在一定范围内动态可调。
②计算风力发电装置的风电场无功功率调节能力值
风电机组应在风电场集中加装适当容量的无功补偿装置,必要时加装动态无功补偿装置,保证无功稳定在一定范围內。
③计算风力发电装置的风电场电压控制能力值
风电场电压控制的调节速度和控制精度应满足规定。
3)计算风力发电装置的低/高电压穿越指标值
包括低电压穿越能力、有功功率恢复速率、动态无功调节能力、高电压穿越能力四个三级指标。
4)计算风力发电装置的电能质量指标值
包含频率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、谐波电压、三相电压允许不平衡度、间谐波六个四级指标。
5)计算风力发电装置的风电场运行安全性指标值
用风电场非计划停运系数、风电场可用系数来衡量。
6)计算风力发电装置的风电功率预测误差指标值
①计算风力发电装置的短期预测月均方根误差值
预测风电场次日0～72h的有功功率,时间分辨率为15min。
②计算风力发电装置的超短期预测第4h预测值月均方根误差值
超短期预测；预测风电场未来15min～4h的有功功率,时间分辨率不小于15min。
5.计算风力发电装置的社会效益值
风力发电和光伏发电都属于清洁能源,与火电机组相比,不会排放烟尘废气,也不会銷耗化石燃料,可以达到节能环保的效果。另外在规模较大的地区,可以在一定程度上拉动当地经济的发展,提高就业水平。因此,社会效益评价主要考虑风力发电在节能、环保和社会经济性方面的影响。
1)计算风力发电装置的环保效益指标值
从单位发电量减少废气排放成本和单位发电量减少烟尘排放成本来考虑风力发电带来的环保效益。
2)计算风力发电装置的节能效益指标值
①从单位发电量减少的煤耗成本来衡量风光储项目带来节能效益。
6.计算风力发电装置的经济效益值
指标体系主要包括两个方面,分别为运营期经营效果和全周期经济效益，并在此基础上提出各项指标。
具体指标定义如下；
1)计算风力发电装置的运营期经济效益值
①净资产收益率
净资产收益率又称股东权益收益率,是净利润与平均股东权益的百分比,即税后利润除以净资产得到的百分比率,该指标反映股东权益的收益水平,用衡量自有资本的效率。指标值越高,说明投资带来的收益越高。
净资产收益率＝净利涧/净资产
②总投资报酬率
总投资报酬率是指企业获得的总收益与全部资产的比率。用于反映企业全部资产的获利水平。其计算公式为:
总投资报酬率＝总收益/全部资产的平均余额
总收益＝净收益+利息费用
2)计算风力发电装置的全周期经济效益值
①内部收益率(IRR)
内部收益率是指项目的净现值为零时的折现率。计算公式如下：
②投资回收期
投资回收期是指用项目每年的净收益回收其全部投资所需要的时间,通常以年表示。它是反映项目投资回收速度的重要指标。
投资回收期＝累计净现金流量开始出现正值的年份数-1+上年累计净现金流量的绝对值/当年净现金流量。
Claims (7)
1.一种优化配置风力发电装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算风力发电装置的资源消耗能耗数值；
计算风力发电装置的环境影响数值；
计算风力发电装置的机组性能度值；
计算风力发电装置的并网特性值；
计算风力发电装置的社会效益值；
计算风力发电装置的经济效益值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算风力发电装置的资源消耗能耗数值包括：
计算风力发电装置生产与运输阶段的资源消耗能耗数值；
计算风力发电装置建设施工阶段的资源消耗能耗数值；
计算风力发电装置运营阶段的资源消耗能耗数值；
计算风力发电装置废弃处置阶段的资源消耗能耗数值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算风力发电装置的环境影响数值包括：
计算风力发电装置的土地增值效益值；
计算风力发电装置的运行维护噪声值；
计算风力发电装置的消减风害效益值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算风力发电装置的机组性能度值包括：
计算风力发电装置的机组一次调频能力值；
计算风力发电装置的机组AGC能力值；
计算风力发电装置的机组AVC能力值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算风力发电装置的并网特性值包括：
计算风力发电装置的有功功率控制指标值；
计算风力发电装置的无功功率调控指标值；
计算风力发电装置的低/高电压穿越指标值；
计算风力发电装置的电能质量指标值；
计算风力发电装置的风电场运行安全性指标值；
计算风力发电装置的风电功率预测误差指标值。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算风力发电装置的社会效益值包括：
计算风力发电装置的环保效益指标值；
计算风力发电装置的节能效益指标值。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算风力发电装置的经济效益值包括：
计算风力发电装置的运营期经济效益值；
计算风力发电装置的全周期经济效益值。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201911321901.XA CN111047105A (zh) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 一种优化配置风力发电装置的方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113991687A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-01-28 | 国网湖南省电力有限公司 | 基于风机状态及超短期功率预测的电压支撑方法及系统 |
| CN114336654A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-04-12 | 国网辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司 | 一种基于光伏调节的区域自动电压控制系统架构 |
| TWI833188B (zh) * | 2022-03-30 | 2024-02-21 | 嘉凱能源科技有限公司 | 氣渦輪機組的評比驗證系統、內儲程式及其裝置 |
-
2019
- 2019-12-20 CN CN201911321901.XA patent/CN111047105A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200421 |
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